深井構造區域采動斷層活化特征

曹吉勝

摘 要：以深部礦井FD121斷層為背景，對其進行相似材料模擬試驗，深入研究采動過程中斷層的活化規律。研究結果表明，工作面在臨近斷層時，煤柱頂底板會出現高應力集中區，臨近斷層側的煤柱和底板受不同程度的破壞。煤層采動過程中，頂底板支承壓力呈先增后減的趨勢，即增加到最大值后逐漸降低，而且斷層帶對于支承壓力的傳播起到“屏障”作用，即當測點距工作面越近時，所受的支承壓力越大。根據試驗分析結果，工作面開采對于FD121斷層的影響深度在22.5cm-30cm之間;工作面推進對于FD121斷層下盤三灰含水層會有一定的影響。

關鍵詞：構造區域;斷層活化;相似材料;深部礦井

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.051

斷層的存在破壞了巖層的完整性，常常成為與含水層聯系的導水通道。國內外許多學者對煤田開采過程中發生的斷層活化問題進行了研究。周瑞光等[1]、李青峰等[2]、彭蘇萍[3]、左建平[4]等分別應用三軸剪應力儀、隔水關鍵層原理、礦壓理論分析了不同條件斷層泥的力學特征并建立了隔水巖層的理論模型，分析了水力耦合作用下斷層的采動活化特征;徐德金[5]、黃存捍[6]等分析了采動斷層的活化機理及其與底板導水之間的關系;于廣明[7]、李利平等[8]則分別從分形角度和力學角探討了斷層活化的抗剪強度及災變演化機制。上述文獻對斷層活化現象進行了分析，但在斷層活化與其誘發原因之間的關系方面仍有問題尚不清楚。

1 采礦地質條件及試驗方案

選取礦井深部構造區域1311工作面，其涉及的季莊斷層（正斷層）位于井田中部，走向45°，傾向315°，傾角65°，落差50～290m。該斷層將井田分為南北兩大部分。季莊斷層附近，其南部存在一FD121斷層，該斷層為一正斷層，走向45°，傾向315°，傾角50°，落差20～50m。開采煤層為3煤層，煤層厚度6.9m，煤層傾角20°。

模擬試驗主要分析在工作面回采期間，煤層頂、底板的應力變化情況，FD121斷層上下盤三灰含水層應力變化，以及在回采期間煤層開采對于FD121斷層的破壞深度和季莊斷層兩盤界面處的應力變化規律，從而反應出斷層在工作面開采過程中斷層的活化特性。

模擬巖層高度為：FD121斷層下盤煤層上方210m，下方50m。模型總得尺寸為長×寬×高=1900mm×220mm×

1500mm。試驗模型由模型架左側向右推進工作面，每2小時采一次，推進3.5cm，相當于實際每天推進7米。

2 頂底板巖層及斷層破壞規律

首先按照設計方案從距模型左側邊界32cm處開切眼，然后向FD121斷層進行推進。物理模擬試驗表明：試驗所研究的工作面，直接頂初次斷裂步距為24cm，周期斷裂步距為8cm;老頂的初次斷裂步距為33cm，其周期步距為7cm。從工作面開始從切眼回采，至20cm時，直接頂有離層現象，且比較明顯的;當工作面回采到24cm時，直接頂產生首次垮落;隨著回采工作的繼續，當工作面回采至32cm時，直接頂開始出現周期性垮落;進一步進行回采，當工作面推進了33cm時，老頂首次發生垮落，當持續推薦工作面至40cm時，周期來壓在老頂巖層出現，老頂逐步開始垮落，上覆巖層的彎曲沉降逐漸顯現，直至發展到上方的堅硬厚巖層，產生離層現象;隨著工作面的持續回采，上覆巖層彎曲、下沉及垮落的范圍不斷增加，與現場礦壓顯現過程基本一致，印證了物理實驗的合理性，能夠較準確的反映工作面回采的實際情況。

當工作面推進結束，即按計劃在FD121斷層處留設10cm煤柱時，FD121斷層基本沒有發生活化現象。為了進一步驗證縮短煤柱對于FD121以及季莊斷層的影響，在開挖結束后繼續向FD121斷層推進，當煤柱縮短為7cm時，FD121斷層帶下界出現明顯的離層現象，斷層發生活化，繼續向前推進，離層現象加劇，當煤柱被開挖完畢，FD121斷層帶上界也出現較為明顯的離層現象，同時斷層帶發生斷裂破壞，斷層活化嚴重。通過上述試驗結果可以得到，采動支承壓力增大，煤體變形破壞嚴重，且隨著斷層煤柱的縮短，斷層發生活化且活化現象不斷加劇。

3 FD121斷層附近頂底板應力分析

試驗在FD121斷層附近的煤層頂底板附近布置有6個應力測點，1～3#為頂板測點，4～6#為底板測點。繪制測點的應力變化圖，以此來了解工作面推進至斷層附近時，采動對巖層破壞的規律。

可以看出，在開采初期，各應力測點基本無明顯變化，當推進至35cm時，1#測點應力逐步發生變化，隨著工作面推進，2#與3#測點的應力也開始增加。隨著工作面繼續回采，煤柱上方出現高應力集中，且逐漸向斷層側延伸，測點應力的變化幅度也開始增大;推進至55cm時，1#測點達到最大值，而后開始減小，支承壓力向前方轉移;其他測點應力在推進到60cm和65cm時達到最大值，之后逐漸減小。隨著工作面的不斷推進，當推過測點1，即工作面推進至75cm時，測點1出現負值，測點1失效，繼續推進工作面，測點2和測點3也出現負值并失效。當工作面推進方向向著斷層時，破碎帶具有較大的吸收二次應力、減緩變形作用，即產生“屏障”作用。

4 工作面推進對FD121斷層影響深度

為了研究工作面推進對FD121斷層的影響深度，本次試驗在FD121斷層煤層下方斷層破碎帶處布設有7～10共4個應力測點。在開采完畢后對四個測點進行數據整理，其中測點10由于距離深度較深，沒有發生應力變化，測點7～9的應力變化曲線如圖6。

測點7在工作面推進到60cm時才發生變化，在推進至85cm時達到其峰值，隨后逐漸降低，隨著工作面推進，測點8和測點9應力值也發生變化，而測點10沒有發生應力變化，說明工作面推進結束并未影響到測點10附近區域，因此工作面開采對于FD121斷層影響深度為22.5cm～30cm之間，通過觀察可以看到測點7～9所達到的應力值較煤層頂底板應力值相比較要小得多，這也說明工作面推進對于斷層較深處的影響有限。

5 采動對三灰含水層的影響

此次試驗在FD121斷層下盤三灰含水層底界面共布設有4個應力測點，即測點11～14。其中測點14在開采過程中并未發生應力變化。

從圖7可以看出，11#～13#測點在開采初期無明顯變化，直到70cm時，開始出現變化，隨后12、13測點也出現變化，但變化值都不大，測點14由于距離工作面較遠，在整個開挖過程中并未發生應力變化，可見，測點14附近區域幾乎沒有受到工作面推進的影響，整體而言，FD121下盤三灰含水層受到工作面開采的影響較小。

6 結論

（1）工作面在臨近斷層時，煤柱頂底板會出現高應力集中區，臨近斷層側的煤柱和底板受不同程度的破壞。

（2）煤層采動過程中，頂底板支承壓力呈先增后減的趨勢，即增加到最大值后逐漸降低，而且斷層帶對于支承壓力的傳播起到“屏障”作用，即當測點距工作面越近時，所受的支承壓力越大。

（3）根據試驗分析結果，工作面開采對于FD121斷層的影響深度在22.5cm～30cm之間;工作面推進對于FD121斷層下盤三灰含水層會有一定的影響。

參考文獻：

[1]周瑞光，成彬芳.水巖相互作用下金川露天礦F1斷層泥破壞特征[J].工程勘察，1996（03）：26-29.

[2]李青峰，王衛軍，朱川曲等.基于隔水關鍵層原理的斷層突水機理分析[J].采礦與安全工程學報，2009，26（01）：87-90.

[3]彭蘇萍，孟召平，李玉林.斷層對頂板穩定性影響相似模擬實驗研究[J].煤田地質與勘探，2001，29（03）：1-4.

[4]左建平，陳忠輝，王懷文等.深部煤礦采動誘發斷層活化規律[J].煤炭學報，2009，34（03）：305-310.

[5]徐德金.高承壓含水層上煤層開采底板斷裂活化致災機制[D].徐州：中國礦業大學，2011.

[6]黃存捍.采動斷層突水機理研究[D].長沙：中南大學，2010.

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[8]李利平，李術才，石少帥等.基于應力-滲流-損傷耦合效應的斷層活化突水機制研究[J].巖石力學與工程學報：2011，30（S1）：3295-3304.